JP2018518061A - 液冷式コールドプレート - Google Patents
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Abstract
液冷式コールドプレートは、入口孔および出口孔と、タブの上面に凹設された複数のポケットとを備えたタブを有する。各ポケットは外周開口部およびレッジを有し、レッジは外周開口部から内方向かつ下方向に設けられる。入口孔および出口孔は、入口スロットおよび出口スロットを介してポケットと流体連通している。複数の冷却プレートの各々は、ポケットに受け入れられ、ポケット内に嵌め込まれる。各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備える。冷却プレートのエンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備える。タブは、押出しによって形成されてよい。
【選択図】図9A
【選択図】図9A
Description
関連出願の参照
本出願は、2015年5月15日に出願された“Liquid Cooled Coldplate”と題された米国特許仮出願第62/162,195号に対する優先権を主張するものである。また本願は、2016年5月6日に出願された“Liquid Cooled Coldplate with Clad Fin Plates”と題された米国特許仮出願第62/332,733号に対する優先権を主張するものである。また本願は、2010年7月28日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許仮出願第61/368,475号に対する優先権を主張する、2011年7月26日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許出願第13/191,281号の継続出願でありこれに対する優先権を主張する、2014年6月17日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許出願第14/307,074号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また本願は、2011年9月2日に出願された“Enhanced Clad Metal Base Plate”と題された米国特許仮出願第61/530,575号に対する優先権を主張する、2012年8月31日に出願された米国特許出願第13/601,206号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また2012年8月31日に出願された米国特許出願第13/601,206号は、2010年7月28日に出願された米国特許仮出願第61/368,475号に対する優先権を主張する、2011年7月26日に出願された米国特許出願第13/191,281号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。上記出願の全ての内容は、参照によってそれらの全体が本願に組み込まれるものとする。
本出願は、2015年5月15日に出願された“Liquid Cooled Coldplate”と題された米国特許仮出願第62/162,195号に対する優先権を主張するものである。また本願は、2016年5月6日に出願された“Liquid Cooled Coldplate with Clad Fin Plates”と題された米国特許仮出願第62/332,733号に対する優先権を主張するものである。また本願は、2010年7月28日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許仮出願第61/368,475号に対する優先権を主張する、2011年7月26日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許出願第13/191,281号の継続出願でありこれに対する優先権を主張する、2014年6月17日に出願された“Electronics Substrate with Enhanced Direct Bonded Metal”と題された米国特許出願第14/307,074号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また本願は、2011年9月2日に出願された“Enhanced Clad Metal Base Plate”と題された米国特許仮出願第61/530,575号に対する優先権を主張する、2012年8月31日に出願された米国特許出願第13/601,206号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また2012年8月31日に出願された米国特許出願第13/601,206号は、2010年7月28日に出願された米国特許仮出願第61/368,475号に対する優先権を主張する、2011年7月26日に出願された米国特許出願第13/191,281号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。上記出願の全ての内容は、参照によってそれらの全体が本願に組み込まれるものとする。
特定の電子デバイスは動作時に熱を発生し、場合によっては、この熱は、デバイスが正常に動作し続けるために除去または放散される必要がある。電子機器を冷却するためにいくつかの技術が用いられてきた。その例は、電子機器に空気を送風するために使用されるファンを含む。この空気は、通常の周囲空気によって電子機器を対流冷却する役割を果たす。用いられてきた他の技術は、液式コールドプレートを含む。液式コールドプレートは、液体が流れるチャネルを備えたプレートである。電子機器が液式コールドプレートと接触するように取り付けられ、電子機器によって発生した熱は、プレート内の冷却液に伝達される。これは、著しく少ない流量で、ファンによってもたらされる対流冷却よりも優れた冷却をもたらし得る。またこれは、より少ない騒音を伴い、優れた温度安定性をもたらし得る。
コールドプレートは、たとえば電子チップまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの電子機器の熱生成部品に直接取り付けられ得る。熱伝達を改善するために、電子機器とコールドプレートとの間に放熱グリスまたは他の熱伝達促進剤を使用することも可能である。一般に、コールドプレートは、冷却液が流れるための入口および出口を含む。冷却液は、電子機器によって生じた熱を吸収し、吸収した熱を、コールドプレートから外へ流れる冷却剤に伝達する。多くのコールドプレートは、比較的低流量の冷却液による冷却をもたらす。それによって、対流冷却よりも優れた熱安定性、最小限の騒音、および冷却液の冷却力がもたらされ得る。
コールドプレートの性能および望ましさに影響を及ぼす要因がいくつかあり、様々な用途に関して様々な要因が重要である。重要な要因のいくつかは、製造コスト、比較的大量の生産の容易性を含む。冷却効率は高くなければならず、冷却される電子機器への冷却液の漏洩を一切防ぐためにコールドプレートは確実に密封されなければならない。
いくつかのアプリケーションにおいて、冷却剤は特に清浄でない場合があり、それによってコールドプレートが塞がれ得る。たとえば自動車内で使用されるコールドプレートは、冷却のために不凍液を利用し、不凍液は小さな粒子を含有し得る。他のアプリケーションにおいて、冷却を容易にする助けとなるようにコールドプレート内で相移行があってよい。冷却剤の代わりに加熱流体を用いることによって、コールドプレートが部品を加熱するために使用されることも可能である。1相熱伝達において冷却剤と加熱流体との主な相違は、冷却剤の温度は冷却される物よりも低く、加熱流体の温度は冷却される物よりも高いという点である。
電子部品を冷却するために多数の様々な技術が用いられ、冷却の利益をもたらす新たな技術が望まれている。
液冷式コールドプレートを製造する方法は、タブ(マニホルド)を金属から形成することを備え、タブは、入口孔、出口孔、および複数のポケットを備える。ポケットは、ポケットを通るチャネル内の並列な流量を確実にするために調整され得るスロットを介して入口孔および出口孔と流体連通している。タブ表面における冷却プレートは、エンハンスト表面を形成するために工具を用いて平坦な金属プレートにフィンをスライスすることによって形成され、工具は、冷却金属層厚さ未満の深さまで冷却金属層をスライスし、スライス工程は、スライスされた材料を冷却金属層から除去せずに上に押し上げる。冷却プレートの外表面を越えて伸長するピンを形成するために、角度を付けてフィンがスライスされる。各冷却プレートは、ピン付き表面がポケット、入口孔、および出口孔と流体連通するようにポケット内に取り付けられる。その後電子部品を冷却プレートの平坦な面に取り付けることができる。
電子機器を冷却するためにはいくつかの方法がある。多くの場合、電子機器は、電子機器に空気を送風するファンによって冷却される。空気は対流冷却をもたらし、電子機器によって生じる熱を制御するために役立つ。しかし、多くの状況下で、液体冷却は空気流よりも大きな冷却能力を提供することができる。
液体は、いくつかの理由により、気体よりも優れた冷却をもたらすことができる。たとえば液体は、気体よりも密度が高いので、電子機器からの熱を吸収するために利用可能な熱質量が多い。また、液体は一般に高い熱伝導性を有するので、熱は、気体の中を通って伝達するよりも迅速に液体の中を通って伝達する。加えて、液体は気体よりも高い比熱を有する傾向にあるので、ある設定量の液体は、同等量の気体よりも多くの熱を吸収および伝達する。そのため、大量の熱を生じる電子機器が利用される場合、多くの製造業者は、液体冷却デバイスの使用を望む。
液体冷却システムは、冷却液および冷却される物品または物質を少なくとも含む。多くの場合、冷却液と冷却される物との間には障壁が存在し、この障壁を通って熱が伝達されなければならない。いくつかの例において、障壁は、複数の構成要素および層を含んでよい。液体との直接接触は一部の電子部品を損傷させ得るため、冷却される物と冷却液との間の障壁は一般に電子機器のために所望される。冷却される物と冷却液との間の障壁を通る熱への抵抗を最小限にすることによって、冷却効率が改善される。
障壁を通る熱への抵抗の2つの重要な形は、1つの材料を通る抵抗と、2つの個別の構成要素または部品の間の境界面にわたる抵抗とを含む。単一材料を通る熱への抵抗は、その材料が断熱材ではなく熱導体である場合、最小化される。銅は、優れた熱導体かつ比較的展性があるため、障壁に使用され得る材料の1つである。ただし、アルミニウム、鋼、および他の金属、黒鉛、セラミック、およびプラスティックや空気などの断熱材なども含む他の材料が使用されてもよい。
熱流への他の抵抗源は、2つの構成要素または部品の間の境界面にある。通常、熱が第1の構成要素から第1の構成要素と接する別の構成要素へ流れると、2つの構成要素間の熱流に抵抗が生じる。境界面の数を低減することにより、熱伝達率を改善することができる。また、2つの材料が強界面を形成する場合、2つの材料間に捕捉される空気が生じることがあり、空気は、熱伝達を妨げがちな断熱体である。障壁における2つの異なる構成要素または層の間の熱伝達を容易にするために放熱グリスが使用され得るが、放熱グリスまたは他の熱伝達剤が使用される場合でも、一般に、2つの分離した層よりも単一の熱伝達層がより効率的である。
また、冷却液が障壁に接触する表面積は、表面積が大きいほど熱を伝達するために多くの面積が得られるため、最大限にすることが望ましい。冷却液と接触する表面にフィン、ピン、または他の構造を用いることにより、表面積を増加させ、熱伝達を改善することができる。表面積は、フィン、ピン、または他の構造の数を増加させること、あるいは各フィン、ピン、または構造の表面積を増加させることによって更に増加し得る。熱伝達を改善するためにフィン、ピン、または他の構造を備えた表面は「エンハンスト」と称されるので、フィン、ピン、または他の構造は、一般に、エンハンスメントと称され得る。
熱伝達表面にエンハンスメントを取り付けるのではなく、熱伝達表面から直接エンハンスメントを形成することは、熱伝達表面の基部とエンハンスメントとの間の境界面が排除されるため、熱伝達を改善し得る。したがって、熱伝達表面の材料でフィンまたは他のエンハンスメントを形成することにより、熱流への抵抗は最小化される。エンハンスメントを個別に製造し、その後それらを熱伝達表面に取り付けようとした場合、境界面においてエンハンスメントと熱伝達表面との間の熱流に対する抵抗が存在し、それが熱伝達率に悪影響を及ぼす。これは、個別のエンハンスメントおよび熱伝達表面が、たとえば銅などの同じ材料で作られた場合でも当てはまる。したがって、エンハンスメントが熱伝達表面の拡張部であり、エンハンスメントと熱伝達表面との間に境界面が存在しないように、熱伝達表面の材料から直接エンハンスメントを形成することが好ましい。これは、エンハンスメントを熱伝達表面と「モノリシック」にするものと見なされる。
場合によっては、液体は、層流と称される流れにおいて固体間を流れる。層流において、固体表面に直接接する液体の層は、固体表面において基本的に静止状態を保つ。その層のすぐ上にある液体の層は、第1の層全体を非常に緩慢に動く。固体表面から比較的遠いポイントで最高の流量になるように、次の上の層はやや迅速に動き、以下同様である。固体表面において、基本的にゼロの最低流量が生じる。隣接する層の上を滑動する液体の各異なる層は、熱流に対する各自の抵抗をもたらし、各層は異なる温度を有し得るので、最も温かい液体は多くの場合、固体表面に隣接し、最も冷たい液体は固体表面から比較的遠くにある。したがって、液体が流れる間に混合され得る場合、固体表面と直接接する液体は固体表面からの熱を吸収し、その後、吸収した熱を液体内により迅速に拡散するために冷却液全体と混合され得る。
乱流は、層流とは反対に、液体が固体表面を流れると同時にそれらを混合させる。これによって、固体表面と接触する液体がより冷たく保たれやすく、固体表面から液体へのより速い熱伝達が容易になる。乱流を増加する傾向があるいくつかの事柄は、より速い流量、凹凸のある表面、流動液体への射出、および液体の経路および流れを別の方向へ変更させる様々な妨害物を含む。乱れを最大限にするために、液体の流れの方向に急激な変化をもたらす急カーブ、捻れ縁部、ピン、フィン、および任意の多種多様な流れ妨害物が含められ得る。乱れを増加させる多くの構造は、コールドプレートにわたる圧力降下も増加させ得る。増加した圧力降下は流量を低くし得るので、効率的な熱伝達を確実にするための釣り合いが観察されなければならない。固体表面付近において流体の量を増加させる傾向がある妨害物は、固体液体境界面におけるあらゆる滞留液層の厚さを低減し、加熱された液体が冷却液本体と混合するために移動しなければならない距離も低減するので、熱伝達を増加させる傾向もある。
いくつかの実施形態において、液体は、熱伝達プロセスにおいて煮沸され、または蒸発してよい。これは、冷却プロセスにおいて冷却剤が液体から気体へ相を変えるため、2相冷却と称される。液体が熱を吸収して蒸発するので、液体の蒸発の熱は吸収され、それによって全体冷却効果が増加する。本説明は1相冷却のみを説明するが、2相冷却も使用されてよく、本説明の実施形態として含まれることを理解すべきである。当業者には理解されるように、2相冷却は、たとえば気体から冷却剤を再び液化するための凝縮器など、いくつかの追加の構成要素を必要とし得る。本説明において論述される原理は、2相冷却にも適用される。
多くの電子冷却システムにおいて、冷却剤は再循環され、繰り返し使用される。図1に示す実施形態において、ファン2は、対流冷却デバイス4に冷却風を送風するために使用され、冷却剤は、ポンプ6によって対流冷却デバイス4を通って汲み上げられる。対流冷却デバイス4から排出される冷却剤は比較的冷たく、電子部品8に接続された熱伝達デバイス10を通って汲み上げられる。冷却剤は、電子部品8が冷却されると同時に加熱され、加熱された冷却剤はその後、対流冷却デバイス4へ汲み戻され、再び冷却される。
この冷却システムには多くの可能な変形例が存在する。たとえば、冷却剤は、対流冷却デバイス4へ帰還する前に多くの様々な電子部品8を冷却するために使用されてよく、これらの様々な電子部品8は、直列、並列、またはその両方で接続され得る。対流冷却デバイス4は、たとえば貫流冷却水など他の液体によって冷却剤を冷却する熱交換器に置き換えられてよい。冷却システムは貫流冷却液を使用してよく、同じ熱伝達原理が冷却と同様に加熱にも適用されるという理由から、このシステムが、構成要素を冷却するのではなく加熱するために用いられることも可能である。
電子基板
図2に示すように、多数の電子部品8が電子基板12上に組み立てられる。基板12は、プリント回路板と同様、電子回路を形成するために必要な相互接続をもたらし得る。基板12は、接続された電子部品8の冷却を助けるためにも使用され得る。使用される基板12の種類の1つは、たとえばセラミックタイル14などの断熱材の片面または両面に銅の層が直接接着または直接メッキされた直接接着銅(DBC)基板12である。セラミックタイル14の代わりに、たとえば様々なポリマ、発泡体、または他の電気絶縁体など、他の電気絶縁性だが熱導電性の材料を使用することも可能である。直接メッキされた銅基板12が電子回路のために使用されてもよく、その場合、直接メッキは基板12に金属を固着する代替方法である。本説明において、「直接接着銅」および「DBC」という用語は、直接接着銅および直接メッキ銅を含むように定義される。同様に、直接接着アルミニウムまたは他の直接接着金属への言及もまた、基板12への金属の直接メッキを含むことを理解すべきである。
図2に示すように、多数の電子部品8が電子基板12上に組み立てられる。基板12は、プリント回路板と同様、電子回路を形成するために必要な相互接続をもたらし得る。基板12は、接続された電子部品8の冷却を助けるためにも使用され得る。使用される基板12の種類の1つは、たとえばセラミックタイル14などの断熱材の片面または両面に銅の層が直接接着または直接メッキされた直接接着銅(DBC)基板12である。セラミックタイル14の代わりに、たとえば様々なポリマ、発泡体、または他の電気絶縁体など、他の電気絶縁性だが熱導電性の材料を使用することも可能である。直接メッキされた銅基板12が電子回路のために使用されてもよく、その場合、直接メッキは基板12に金属を固着する代替方法である。本説明において、「直接接着銅」および「DBC」という用語は、直接接着銅および直接メッキ銅を含むように定義される。同様に、直接接着アルミニウムまたは他の直接接着金属への言及もまた、基板12への金属の直接メッキを含むことを理解すべきである。
いくつかの実施形態において、一方の面における銅層は、電子回路の少なくとも一部を形成するためにプリフォームまたはエッチングされ、銅層は基本的に、電子部品を冷却するために熱の拡散および伝達を助けるように他方の面を被覆する。代替実施形態において、銅ではなくアルミニウムがセラミックタイル14に直接接着または直接メッキされ得る。銅またはアルミニウムの代わりに他の金属または他の材料を使用することも可能である。
これらの直接接着または直接メッキされた金属層は、本説明において、冷却金属層16および電子金属層18と称される。一般に、電子金属層18は電子回路のためにプリフォームまたはエッチングされ、冷却金属層16は熱管理のために用いられ得るが、金属層16、18のどちらも回路の一部を形成せず、または両方の金属層16、18が電子回路の一部を形成することも可能である。セラミックタイル14は、冷却面15と対向する電子面17を有し、冷却金属層16は冷却面15に直接接着され、電子金属層18は電子面17に直接接着される。
セラミックタイル14は、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ベリリウム(BeO)、または他の材料で形成されてよく、多くの場合、約0.28ミリメートル(mm)〜0.61mmの厚さを有するが、他の厚さも可能である。冷却および電子金属層16、18は多種多様な材料であってよく、金属層16、18の厚さは、使用される金属、所望の性能、および他の要因に依存し得る。セラミックタイル14に直接接着または直接メッキされた銅層は多くの場合、0.25mm〜0.41mmの範囲の厚さを有するが、他の厚さも可能である。アルミニウム層がセラミックタイル14に直接接着または直接メッキされる場合、アルミニウム層の厚さは約0.3mmであってよいが、他の厚さも可能である。1つの実施形態において、冷却金属層16は、約0.2〜0.5ミリメートルであってよい冷却金属層厚さ19を有する。
いくつかの実施形態において、冷却層外表面20および/または電子層外表面22は第1のコーティング層24を有してよく、第1のコーティング層24は第2のコーティング層26を有してよく、同様に追加のコーティング層があってよい。冷却および電子層外表面20、22は、セラミックタイル14の外側に面した表面である。「冷却層外表面20」は、任意のフィンまたは他のエンハンスメントが冷却金属層16から形成される前の冷却金属層16外表面、または任意のフィンまたはエンハンスメントが形成されていない冷却金属層16の部分を意味するように定義される。電子層外表面22は、冷却金属層16ではなく電子金属層18に言及する点を除き、同様に定義される。第1のコーティング層24は、低リン系無電解ニッケルまたは電解ニッケルであってよく、第2のコーティング層26は金層であってよいが、他の材料の組み合わせも可能である。ニッケル層は約2〜7マイクロメータ(um)の厚さであってよく、金層は約80ナノメータ(nm)の厚さであってよいが、各層に関して他の厚さも可能である。セラミックタイル14の一方の面に銅層を直接接着し、セラミックタイル14の他方の面にアルミニウム層を直接接着すること、または冷却および電子金属層16、18に関して他の金属の組み合わせを使用することも可能である。
直接接着または直接メッキされた銅基板12は、銅とセラミック基板12との高い接着強度により、シリコンの熱膨張係数に近い比較的低い熱膨張係数を有する傾向にある。多くの電子部品8がシリコンを含有するので、基板12に同様の熱膨張係数を持たせることにより、熱循環性能を高めることができる。直接接着または直接メッキ銅基板12がシリコンの熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有するという事実は、基板12とシリコン部品との間の界面層の必要性も低減し得る。直接接着または直接メッキ銅基板12は、優れた熱拡散および熱伝導性ならびに高い電気絶縁数値を含む、当業者には周知である多くの望ましい特性を有する。
直接接着または直接メッキ銅または直接接着または直接メッキアルミニウム基板12をコールドプレートまたは他の冷却剤含有デバイスと連結することによって、液体冷却がもたらされ得る。1つの実施形態において、熱は、電子部品8から電子金属層18へ、次にセラミックタイル14へ、次に冷却金属層16へ、次にコールドプレートの壁部へ、その後最終的に冷却液へ伝達される必要がある。冷却金属層16とコールドプレートの壁部との間に放熱グリスが存在してもよい。冷却金属層16にエンハンスト表面を設け、エンハンスト冷却金属層16を直接通過して冷却剤を移動させることにより、基板12とコールドプレートとの間の境界面によって生じる熱伝達への抵抗が低減され、コールドプレートの障壁を通る熱伝達への抵抗も低減される。
電子基板における熱交換デバイス
図1および図2を継続して参照するとともに図3および図4に示されるように、熱管理のために熱交換デバイス10が基板12に取り付けられ得る。熱交換デバイス10は、基板12に隣接した室を形成するために基板12に取り付けられたタブ28を備えてよい。あるいは室30は、スペーサおよびカバー、または基板12に隣接した閉鎖空間をもたらす多数の他の構造によって作られてもよい。入口32および出口34が設けられ、入口32および出口34は室30を貫通し、液体が室30の内外へ流れることを可能にするので、入口32および出口34は室30を通して流体連通している。入口32および出口34はタブ28を貫通してよいが、入口32および出口34の一方または両方が基板12を貫通して室30へのアクセスをもたらし、または室30を形成するために用いられる任意の他の構造を貫通することも可能である。所望に応じて複数の入口32および出口34が存在してよく、また、流体処理システムとの連結を容易にし、または室30内に流体流れを導くために、入口32および/または出口34においてノズル33が用いられてよい。
図1および図2を継続して参照するとともに図3および図4に示されるように、熱管理のために熱交換デバイス10が基板12に取り付けられ得る。熱交換デバイス10は、基板12に隣接した室を形成するために基板12に取り付けられたタブ28を備えてよい。あるいは室30は、スペーサおよびカバー、または基板12に隣接した閉鎖空間をもたらす多数の他の構造によって作られてもよい。入口32および出口34が設けられ、入口32および出口34は室30を貫通し、液体が室30の内外へ流れることを可能にするので、入口32および出口34は室30を通して流体連通している。入口32および出口34はタブ28を貫通してよいが、入口32および出口34の一方または両方が基板12を貫通して室30へのアクセスをもたらし、または室30を形成するために用いられる任意の他の構造を貫通することも可能である。所望に応じて複数の入口32および出口34が存在してよく、また、流体処理システムとの連結を容易にし、または室30内に流体流れを導くために、入口32および/または出口34においてノズル33が用いられてよい。
タブ28は、冷却金属層16が室30の一部を形成するように冷却金属層16に取り付けられ得るので、室30を通って流れる流体は、冷却金属層16と接触し、直接通過する。冷却金属層16は、エンハンスト表面35から機械加工されてよく、エンハンスト表面35はフィン36を備えるが、所望に応じて、エンハンスト表面35がピン38または他の構造を備えることも可能である。一般に、タブ28は、エンハンスト表面35が室30内に位置するように冷却金属層16に連結されるので、冷却剤はエンハンスト表面35と接触し、直接通過する。いくつかの実施形態において、冷却金属層16の選択された部分にはエンハンスメントが作られないので、冷却金属層16のこの未エンハンスト部分は、タブ28との密封をもたらすために用いられ、それによって冷却剤の漏洩防止に役立ち得る。室30は冷却液がエンハンスト表面35の上にあるように維持するが、室30は、冷却液を閉じ込めるためにも機能し、それによって電子部品8、電子金属層18、および他の構成要素が冷却液と直接接触しないように保護する。室30は、冷却液閉じ込めシステムの一部である。
エンハンスメントは主に、様々な形状および寸法のフィン36およびピン38を含むが、縦型中空円形突起、横型中空箱、または他の形状といった他の構造を含んでもよい。ピン38は、冷却層外表面20から伸長する長方形または円形フィンガを含むが、角錐または半球など他の形状も含む。エンハンスメントは、基板12からタブ28に至るまで伸長してよいので、実際にはタブ28の内面に接触し、またはタブ内表面から少しの距離まで伸長してよい。タブ28に接触するエンハンスメントは、短いエンハンスメントよりも高い熱伝達率をもたらし得るが、冷却剤流量の低下を招き得る高い圧力降下ももたらし、冷却剤流量の低下は、熱伝達率を減少させ得る。エンハンスメントの形状およびサイズもまた、圧力降下および熱伝達率に影響を及ぼし得る。
フィン36は、熱伝達のための表面積の増加をもたらし、冷却剤の流れにおける乱れも増加させてよく、そのどちらも熱伝達率を増加させ得る。図1〜図4を継続して参照するとともに図5および図6に示すように、チャネル44は隣接するフィン36の間に位置し、流体はチャネル44を通って流れてよい。チャネル44を通る流体流れはフィン36に近接し、流体とフィン36との間の熱伝達は迅速であってよい。フィン36は、場合によっては熱伝達を増加させるために用いられ、フィン36のサイズ、形状、および構造は全て、全体熱伝達率に影響を及ぼし得る。多種多様なフィンのサイズ、形状、および構造が冷却金属層16において用いられ得る。フィン構造は、たとえばフィン36の頂部におけるプラットホーム、はざまを設けたフィン頂部、側面突起部などのようなものを含んでよい。ピン38は、同様の理由によって同様の熱伝達の改善をもたらし、構造的変更または改善を含んでもよい。
タブ28または室30の一部を形成する他の構造は、冷却金属層16の基本的に全てを被覆し得るが、他の実施形態において、室30は冷却金属層16の一部しか被覆せず、あるいは冷却金属層16の異なる様々な部分を被覆する複数の異なる室30が存在してもよい。エンハンスメントのサイズおよび間隔は、所望に応じて、異なる室30の間で変化してよく、1つの室内で変化してもよい。1つの冷却金属層16に複数のエンハンスト表面35が存在してよく、異なるエンハンスト表面35の各々が同じ種類のエンハンスメントまたは異なる種類のエンハンスメントを備えてよい。単一冷却金属層16における複数の異なるエンハンスト表面35は、個々の独立した室30内の個々の独立した「アイランド」であってよい。代替実施形態において、異なるエンハンスト表面35が同じ室30内にあってよく、この場合異なるエンハンスト表面35は連結されてよく、あるいは異なるエンハンスト表面35は、冷却金属層16の非エンハンスト部分によって隔離されてもよい。タブ28または他の構造は、ハンダ付け、ろう接、ねじ、ピン、接着剤、および音波溶接を含むがこれに限定されない多種多様な方法で基板12に連結され得る。室30を形成する構成要素間の連結は、冷却剤の漏洩を防ぐために堅固でなくてはならない。
エンハンスト表面35において冷却金属層16と直接接触する冷却剤の流れを室30に供給することで、上述したように、電子部品8と冷却剤との間の境界面および層の数を低減することによって熱伝達率を改善することができる。また、直接連結された冷却室30に薄い基板12を設けることで、いくつかの理由により、電子部品8のために必要な空間を低減することができる。第1に、薄い基板12は厚い基板12よりも少ない室しか必要としない。第2に、基板12に直接連結された冷却室30は、電子部品8と冷却剤との間の材料の総量を低減することができ、少ない材料は少ない空間しか占めない。第3に、冷却液の使用は、空気流による対流冷却を上回る冷却をもたらすことができるので、電子部品8は、熱制御を維持しながら互いに近接して配置されてよい。
表面エンハンスメント
基板12は、セラミックタイル14および冷却金属層16を含み、冷却金属層16をエンハンスしてエンハンスト表面35を形成するために機械加工が用いられ得る。セラミックタイル14は脆性材料であるため、基板12に行われる機械加工はいずれも基板12の屈曲または撓みを回避しなければならず、セラミックタイル14を粉砕または破壊し得る他の圧力も制御しなければならない。一般に、基板12の一方の面の機械加工時、反対側の面全体は強固に支持されなくてはならないので、加えられる力は全て、基板12を直進して支持表面に直接伝達され得る。機械加工中、基板12は、横滑りまたは他の動きを防止するために固定されなくてはならない。1つの実施形態において、基板12は平坦であるため、機械加工のための支持表面もまた平坦でなくてはならない。また、基板12の様々な構成要素は全て薄く、誤差のための余白はほとんどないため、加工動作は非常に精密でなくてはならない。
基板12は、セラミックタイル14および冷却金属層16を含み、冷却金属層16をエンハンスしてエンハンスト表面35を形成するために機械加工が用いられ得る。セラミックタイル14は脆性材料であるため、基板12に行われる機械加工はいずれも基板12の屈曲または撓みを回避しなければならず、セラミックタイル14を粉砕または破壊し得る他の圧力も制御しなければならない。一般に、基板12の一方の面の機械加工時、反対側の面全体は強固に支持されなくてはならないので、加えられる力は全て、基板12を直進して支持表面に直接伝達され得る。機械加工中、基板12は、横滑りまたは他の動きを防止するために固定されなくてはならない。1つの実施形態において、基板12は平坦であるため、機械加工のための支持表面もまた平坦でなくてはならない。また、基板12の様々な構成要素は全て薄く、誤差のための余白はほとんどないため、加工動作は非常に精密でなくてはならない。
基板12は、当業者には周知であるいくつかの技術によって加工台50に固定され得る。基板を加工台50に固定するためのいくつかの技術は、止めブロック52を加工台50に固定し、工具40が冷却金属層16を通過する時に基板12が横滑りすることを止めブロック52が防ぐように、止めブロック52に対して基板12を当接させることを含む。ねじ54が止めブロック52を加工台50に固定してよいが、クランプ、ボルト、溶接、または多数の他の技術が用いられてもよい。基板12はクランプを用いて加工台50に更に固定され得るが、加工台50と接する基板表面に真空を適用することで、基板表面が機械加工されることを妨げずに基板12を定位置に固定してもよい。
本発明は、冷却層外表面20をエンハンスする方法を含み、所望に応じて、電子層外表面22をエンハンスするための方法も含む。電子層外表面22は冷却層外表面20と同じ方法でエンハンスされ得るので、本説明は、電子層外表面22が同じ方法でエンハンスされ得るという理解の下、冷却層外表面20のエンハンスのみを説明する。
フィン36は、微小変形技術(MDT)と呼ばれるプロセスを用いて冷却金属層16に形成されてよく、これは、本説明に全体が組み込まれる、1998年7月7日に出願された米国特許第5,775,187号において説明される。このプロセスにおいて、冷却金属層16は、工具40を用いて、冷却金属層16から材料を除去することなくスライスされる。MDTプロセスは、切片が生じるとともに材料を除去する鋸またはルータとは異なり、ナイフを用いて肉を切ることに近い。
冷却金属層16のスライスは、工具40を用いて行われる。工具40が冷却金属層16の材料に接触すると、冷却金属層16にフィン36が切り込まれる。冷却金属層16からフィン36をスライスすることにより、冷却金属層16とモノリシックなフィン36がもたらされ、上述したように熱伝達が改善される。フィン36は、冷却金属層16の材料から直接形成されるので、フィン36と冷却金属層16との間に継目や割目は存在しない。
フィン36は、エンハンスト表面35の1つの実施形態である。冷却金属層16の切削は、隣接するフィン36間にチャネル44を形成し、冷却金属層16から材料を除去することなく行われ得る。好適には、フィン36の形成において削りくずは生じない。工具40は冷却金属層16にフィン36を切り込み、工具40が冷却金属層16を通過する時に生じる空間が、フィン36において材料を上に押し上げる。この冷却金属層16の切削および変形により、フィン36は、元の冷却層外表面20よりも高いフィン高さ46まで起伏する。切削工具設計、切削の深さ、フィン36およびチャネル44の幅は、フィン高さ46に影響を及ぼす要因である。工具40は、連続的な切削ごとに一方向へわずかに移動するので、切削ごとに、先に切削されたフィン36に隣接してフィン36が形成される。このプロセスは、フィン36が一面に生じるまで繰り返される。
第2の一連の切削によってフィン36にわたってスライスすることによりピン38が形成される。第2のセットのスライスもまたMDT方法を用いてよく、ピン38を、フィン高さ46を上回るピン高さ48まで押し上げる。スライスが行われる際、冷却金属層16から材料が除去されることはないので、動かされた材料は残ったピン38に導かれる。それによって残ったピン38は、ピン38が切削された元の材料よりも高い高さまで起伏する。第2のセットのスライスは、フィン36に対して、90度または90度以外の角度を含む多種多様な角度で行われ得る。また、ピン38および/またはフィン36の傾斜角度は、スライスが行われる時の工具40の角度によって操作され得る。フィン36の傾斜角度の変更によって、ピン38の傾斜角度を変えることができる。
代替実施形態において、フィン36はMDTプロセスを用いずに作られ、ピン38はその後、MDTプロセスを用いてフィン36から形成される。他の代替実施形態において、フィン36はMDTプロセスを用いて作られ、ピン38はその後、MDTプロセスとは異なる従来の切削プロセスを用いてフィン36から形成される。
フィン36は、指定のチャネル幅45を伴う指定のフィン幅37で切削されるので、1センチメートルごとに所定の数のフィン36が存在する。同様の特定の寸法がピン38に設定され得る。エンハンスト表面35に関する多くの寸法は、工具設計および用いられる加工動作の設定を指定することによって制御され得る。タブ28または類似構造の製造は、従来の方法によって実現され得る。これは、スタンピング、切削、鋳込、鋳造、機械加工、および他の一般的な金属加工技術を含む。
MDT切削プロセスは、CNCミリングマシン、旋盤、シェーパ、または他の加工工具で実行され得る。切削の深さは、セラミックタイル14の完全性が損なわれるほど深くあってはならず、所望の熱伝達率をもたらすために十分なフィン高さ46を生じるのに足る深さでなくてはならない。実験は、冷却金属層厚さ19の約60〜70パーセントの切削深さが用いられ得ることを示した。一般に、工具40は、冷却金属層厚さ19未満の深さまで冷却金属層16に切り込まなければならない。効果的なフィン36のベッドは、1センチメートル(cm)ごとに約20〜約60のフィンがあるように作られるが、他のフィン密度も可能である。直接接着基板におけるフィン寸法の1つの例は、フィン36の切削前に測定すると、0.30mmの冷却金属層厚さ19、0.53mmのフィン高さ46、0.17mmのフィン幅、および0.17mmのチャネル幅を含む。上述したように、冷却層外表面20は、フィン36の切削前または冷却金属層16に形成されるフィン36がない時点のいずれかで決定される。フィン高さ46は、冷却金属層厚さ19よりも大きく、フィン36は、冷却金属層16内のポイントから始まるので、フィン36は冷却層外表面20を越えて伸長する。上述したように、ピン38は、ピン38が作られる前のフィン高さ46よりも高いピン高さ48まで伸長する。したがって、ピン38は、フィン36と同様、冷却層外表面20を越えて伸長する。
1つの実施形態において、ブランク基板12を機械加工するために旋盤が使用され、基板12は、冷却金属層16がエンハンスされる前、ブランクと見なされる。旋盤は、回転軸に垂直な円盤形状面を有してよく、1または複数のブランク基板12が旋盤の面の外縁部付近に固定され得る。ブランク基板12は、回転中、旋盤面を均衡させる助けとなるように向かい合って設置され得る。工具40はその後、基板12の機械加工のために、旋盤の回転軸に基本的に平行に、旋盤の面に向けられ得る。工具40は、旋盤の回転軸に向かう方向または旋盤の回転軸から離れる方向のいずれかへ緩慢に動かされるので、旋盤の回転ごとに異なる位置でブランク基板12と接触する。このように、いくつかのブランク基板12が単一の旋盤上で同時に機械加工され得る。旋盤面の縁部付近での機械加工により、直線ではなく、旋盤の回転軸から基板12の距離によって決定されるわずかな曲線を有するフィン36が製造される。その後、所望に応じて、冷却金属層16に密封されたタブ28を取り付けるために境界エリアが平坦に機械加工され得る。
クラッド金属基本構造
2つの異なる構成要素が金属である場合、境界面を流れる熱流への抵抗は、境界面に治金的接着が存在すると著しく低減され得る。本説明において、「治近的接着」という用語は、2つの異なる金属の境界面において異なる金属が実際に電子を共有することを意味する。多くの接着は機械的接着であり、この場合、異なる金属または他の材料が境界面で結合するが、異なる金属は機械的接着において電子を共有することはない。治金的接着は、機械的接着と比べ、はるかに少ない熱流への抵抗を提供する。一般に、機械的接着よりも治金的接着を生じることの方が難しく、多くの接着技術は機械的接着しか生じない。
2つの異なる構成要素が金属である場合、境界面を流れる熱流への抵抗は、境界面に治金的接着が存在すると著しく低減され得る。本説明において、「治近的接着」という用語は、2つの異なる金属の境界面において異なる金属が実際に電子を共有することを意味する。多くの接着は機械的接着であり、この場合、異なる金属または他の材料が境界面で結合するが、異なる金属は機械的接着において電子を共有することはない。治金的接着は、機械的接着と比べ、はるかに少ない熱流への抵抗を提供する。一般に、機械的接着よりも治金的接着を生じることの方が難しく、多くの接着技術は機械的接着しか生じない。
2つの個別の金属部品は、クラッディングと呼ばれるプロセスによって治金的に接着され得る。本説明において、「クラッド」金属は、クラッド金属が同じ材料であるか異なる材料であるかにかかわらず、境界面において互いに治金的に接着された金属として定義される。クラッディングプロセスは一般に、2つの金属に非常に高い圧力を与えることを伴い、場合によっては、高熱と高圧力とが併用される。他のクラッディングプロセスも可能である。他の金属物体にクラッドされ得る金属の厚さには実用上の限界があるので、クラッド金属は多くの場合、比較的薄いコーティングである。たとえば、約3ミリメートルを超える厚さで銅にアルミニウムをクラッドすることは難しい。
治金的接着は機械的接着とは構造的に異なるので、2つのクラッド金属は、機械的に連結された2つの金属とは区別され得る。たとえば、治金的接着において水または空気が混入する孔は基本的に存在しないが、機械的接着においては、2つの材料が単に結合されているにすぎないので、一般に孔が存在する。境界面における多孔性を測定することが可能であり、それによって治金的接着と機械的接着とを区別することができる。また治金的接着は、境界面にわたる熱伝達を測定し、既知の基準値と比較することによって、機械的接着と区別することもできる。
治金的接着は、2つの金属間において機械的接着よりもはるかに強い。実際、治金的接着は多くの場合、異なる熱膨張係数を有する異類の金属が熱循環中に剥離しないほどの強度がある。したがって、クラッド金属を用いた電子システムは概して、機械的接着された金属を用いた同等の機器よりも優れた信頼性および長い耐用年数を有する。
ベースプレートを備えた電子部品
図1〜図6を継続して参照するとともに図7に示すように、様々な電子部品とともにベースプレート60が使用され得る。図7におけるベースプレート60はIGBTの一部として示されるが、ベースプレート60は、たとえばインバータまたはダイオードなどの他の電子部品とともに用いられてもよい。IGBT冷却が例として説明されるが、ベースプレート冷却は他の電子部品にも同様に適用され得ることを理解すべきである。金属製ベースプレート60は、互いにクラッドされた2つ以上の異なる金属層によって製造され得る。一般に、クラッド金属製ベースプレート60は、第1の金属層深さ63を有する第1の金属層62、および第2の金属層深さ65を有する第2の金属層64を少なくとも有するが、ベースプレート60は、3つ以上の金属層を有してもよく、同様にコーティングを有してもよい。ベースプレート60が2つの層間にクラッド境界面68、および2つの異なる層間に機械的境界面を有することも可能である。本説明において、第1および第2の金属層62、64は、境界面68において互いにクラッドされる。IGBT66とも呼ばれる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ66は、液体冷却システムによる利益を得る電子部品の一種である。多くのIGBT66が電子基板12を含み、これは上述したように、セラミックタイル14または他の断熱材に直接接着または直接メッキされた銅または他の金属を有してよい。電子部品8は、ベースプレートの第1の金属層62に取り付けられてよく、その後、電子基板12がIGBTカバー70とベースプレート60との間に配置されるように、IGBTカバー70がベースプレート60に固定され得る。水、腐食剤、または他の物質への接触を最小限にする助けとなるように、ベースプレート60とIGBTカバー70との間にシリコンジェルまたは他の充填材料が配置される。ベースプレート60は第1の金属層表面72を有し、基板12およびシリコンジェルは一般に、第1の金属層表面72においてベースプレートの第1の金属層62と接触する。ベースプレート60はまた、第1の金属層表面72と対向する第2の金属層表面74を有する第2の金属層64も有する。第2の金属層表面74は、電子部品を冷却するためのコールドプレートの構成要素であってよく、冷却液は第2の金属層表面74を直接流れる。第1の金属層62は第1の金属を備え、第2の金属層64は、第1の金属とは異なる第2の金属を備える。
図1〜図6を継続して参照するとともに図7に示すように、様々な電子部品とともにベースプレート60が使用され得る。図7におけるベースプレート60はIGBTの一部として示されるが、ベースプレート60は、たとえばインバータまたはダイオードなどの他の電子部品とともに用いられてもよい。IGBT冷却が例として説明されるが、ベースプレート冷却は他の電子部品にも同様に適用され得ることを理解すべきである。金属製ベースプレート60は、互いにクラッドされた2つ以上の異なる金属層によって製造され得る。一般に、クラッド金属製ベースプレート60は、第1の金属層深さ63を有する第1の金属層62、および第2の金属層深さ65を有する第2の金属層64を少なくとも有するが、ベースプレート60は、3つ以上の金属層を有してもよく、同様にコーティングを有してもよい。ベースプレート60が2つの層間にクラッド境界面68、および2つの異なる層間に機械的境界面を有することも可能である。本説明において、第1および第2の金属層62、64は、境界面68において互いにクラッドされる。IGBT66とも呼ばれる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ66は、液体冷却システムによる利益を得る電子部品の一種である。多くのIGBT66が電子基板12を含み、これは上述したように、セラミックタイル14または他の断熱材に直接接着または直接メッキされた銅または他の金属を有してよい。電子部品8は、ベースプレートの第1の金属層62に取り付けられてよく、その後、電子基板12がIGBTカバー70とベースプレート60との間に配置されるように、IGBTカバー70がベースプレート60に固定され得る。水、腐食剤、または他の物質への接触を最小限にする助けとなるように、ベースプレート60とIGBTカバー70との間にシリコンジェルまたは他の充填材料が配置される。ベースプレート60は第1の金属層表面72を有し、基板12およびシリコンジェルは一般に、第1の金属層表面72においてベースプレートの第1の金属層62と接触する。ベースプレート60はまた、第1の金属層表面72と対向する第2の金属層表面74を有する第2の金属層64も有する。第2の金属層表面74は、電子部品を冷却するためのコールドプレートの構成要素であってよく、冷却液は第2の金属層表面74を直接流れる。第1の金属層62は第1の金属を備え、第2の金属層64は、第1の金属とは異なる第2の金属を備える。
1つの実施形態において、第1の金属は銅であり、第2の金属はアルミニウムである。この組み合わせは、銅の望ましい熱伝達特性と、銅冷却金属層16または他の銅製電子部品8を直接第1の金属層表面72に容易にハンダ付けする能力とをもたらし得る。またこの組み合わせは、軽量性、比較的低いコスト、および冷却のためのグリコール溶液に接触し得る第2の金属層表面74にアルミニウムの耐腐食性をもたらす。第1の金属である銅は、それに連結された銅部品と同じ熱膨張係数を有し、同じまたは同種の金属の使用は、異種の金属を連結することに起因する腐食問題を緩和する。ただし、たとえば銅の第1の金属層62および鋼の第2の金属層64、鋼の第1の金属層62およびチタンの第2の金属層64、または考えられる多種多様な他の選択肢など、他の金属の組み合わせも可能である。いくつかの固体銅製ベースプレート60は、腐食を緩和するためにグリコールと接触する任意の表面にニッケルメッキを有してよく、クラッディングは、ニッケルメッキの必要性を低減または排除し得る。ニッケルはアルミニウムよりも重く高価であり、メッキは機械的接着を生じるので、メッキ材料の境界面は概して、クラッド材料の境界面68と同様に熱を伝達しない。上述したように、(図1〜図4および図7を継続して参照するとともに)図5および図6に示されるように、エンハンスト表面35を形成するためのプロセスは、直接接着基板12に関してクラッドベースプレート60と基本的に同じである。基板12の機械加工に関して上述した要因、考察、方法、および結果は、ベースプレート60の機械加工にも適用される。図を参照すると、基板12の冷却金属層16は、基板60の第2の金属層64に相当し、ベースプレート60の第1の金属層62は、基板12のセラミックタイル14と電子金属層18との組み合わせに相当する。ベースプレート60は、互いにクラッドまたは接合された3つ以上の層を有してよいが、ベースプレート60が2層しか有さないことも可能であり、閲覧者は、セラミックタイル14および電子金属層18が別々の層として示されているという事実にかかわらず、セラミックタイル14および電子金属層18をベースプレート60の第1の金属層62に相当する1つの単層として見なすこともできる。
工具40は、ベースプレート60を機械加工し、フィン幅37を有するフィン36、またはピン38を生成するために使用され得る。隣接するフィン36間にはチャネル幅45を有するチャネル44が存在し、フィン36はフィン高さ46を有し、ピン38はピン高さ48を有する。ベースプレート60は加工台50の上で機械加工され、止めブロック52は、ベースプレート60の動きを最小限にし、ベースプレート60の位置調整を支援するために使用され得る。止めブロック52は、クラッドベースプレート60のための更なる利益をもたらし得る。境界面68付近まで、好適には境界面68よりわずかに上まで上向きに伸長する止めブロック52は、機械加工プロセス中に境界面68を支持する助けとなり、第1および第2の金属層62、64の間の剥離を緩和する。その結果、第1および第2の金属層62、64は、フィン36またはピン38の切削中および切削後、互いにクラッドされた状態を保つ。上述したように、加工台50に止めブロック52を固定するために、ねじ54または他の連結デバイスが使用され得る。これにより、ベースプレート60にエンハンスト表面35が生成され得る。
ベースプレート60のエンハンスト表面35は、第2の金属層深さ65を上回るフィン高さ46またはピン高さ48を有する。フィン36またはピン38であるエンハンスメント75は、境界面68から第2の金属層表面74を越えて伸長するエンハンスメント末端部76を有し、これは、エンハンスメント75の切削時かつ第2の金属層表面74を減少させる任意の追加の機械加工の前の第2の金属層表面74を指す。MDTプロセスは、エンハンスメント75が形成された表面より上まで伸長するエンハンスメント75を生成するので、これは事実である。出願人は実際に、アルミニウムの第2の金属厚さ2.7ミリメートルより5ミリメートル高く起立するフィン36を生成した。フィン36またはピン38は、全体が第2の金属層64内に画定され、その結果第2の金属内に画定されるので、エンハンスメント基部77が境界面68を貫通することはない。エンハンスメント基部77は、クラッド境界面68に最も近いフィン36またはピン38の一部であり、エンハンスメント基部77は、エンハンスメント末端部76とは反対側のエンハンスメント75の端部である。上述したように、フィン36またはピン38は、第2の金属層64とモノリシックであるため、第2の金属を備える。
図1〜図7を継続して参照するとともに図8に示すように、水盤78とベースプレート60との間にエンクロージャ80が形成されるようにベースプレート60に水盤78が取り付けられ得る。水盤78は、第2の金属層64に形成されたエンハンスメント75がエンクロージャ80内に位置するように設けられる。入口82および出口84はエンクロージャを貫通するので、冷却液は、入口82を通ってエンクロージャ80に進入し、出口84を通ってエンクロージャ80から排出され得る。したがって、入口82および出口84はエンクロージャ80を介して流体連通している。水盤78は、ベースプレート60の第2の金属層64のみがエンクロージャ80内にあり、第1の金属層62がエンクロージャ80内にないように設置され得る。基板12の入口32および出口34に関するノズル33と同様、入口82および出口84にはノズル33が存在してよい。上述したように、基板12の冷却室30のための様々なエンハンスメント75設計を生成するための選択肢は、単一ベースプレート60における複数の水盤78、およびベースプレート60の異なる箇所における様々なエンハンスメント構造を含む、ベースプレート60のエンハンスメント75および冷却エンクロージャ80にも適用される。
ベースプレート60に形成されるフィン36またはピン38は、第2の金属層64とモノリシックである大きな表面積を生じ、優れた熱伝達をもたらす。またフィン36またはピン38は、液体冷却流における乱れを増加させる傾向にあり、これもまた熱伝達を増加させる。
図9Aは、本開示の代替実施形態に係る液冷式コールドプレート900を示す。コールドプレート900は、入口孔906および出口孔907を有するタブ901を備える。タブは基本的に、電子機器を冷却するための冷却液を閉じ込め移動させるためのマニホルドである。タブ901は、1つの実施形態においてアルミニウムで形成されるが、たとえば銅など他の材料で形成されてもよい。タブ901は、図示された実施形態において、対向する長辺920および921と、それに対向しほぼ垂直な対向する短辺922および923とを有する略長方形状である。冷水(不図示)は入口孔906を通ってタブ901に進入し、本明細書において詳述するようにタブを通って流れ、出口孔907から排出される。図示された実施形態において、入口孔906および出口孔907の各々は、本明細書で詳述するように、タブを通って伸長する略円筒形開口部を備える。他の実施形態において、入口孔906および出口孔907は円筒形以外の形状であってよく、たとえば入口孔906および出口孔907は楕円形であってよい。図示された実施形態において、タブ901は押出しによって形成されるが、他の実施形態において機械加工によって形成されてもよい。
タブ901の上面924は、複数のプレート902A、902B、および902Cを受け入れる。図示された実施形態において、タブ901は3つのプレート902A、902B、および902Cを有するが、他の実施形態では異なる数のプレートが存在してもよい。プレート902A、902B、および902Cの上面は、タブ901の上面924とほぼ同一平面上にある。タブ901の上面924に凹設されたポケット913がプレート902A、902B、および902Cを受け入れる。図示された実施形態において、ポケットは、トップダウン式機械加工を用いてタブに加工される。プレート902A、902B、および902Cの上面は、IGBT電子機器モジュール(不図示)を受け入れ、コールドプレート900が電子機器を冷却する。
冷却の適用中、アルミニウムコールドプレートの腐食防止を最大限にするために、タブ901および冷却プレート902A、902B、および902Cはいずれも、組立て前に無電解ニッケルコーティングでメッキされ得る。コールドプレート900が摩擦撹拌接合または他の接合方法によって組み立てられた後、完成したコールドプレート900の外表面が無電解ニッケルコーティングで再メッキされ得る。この2重メッキは、たとえば脱イオン水などの浸食性冷却剤が冷却剤として使用される場合に、コールドプレートに対する更なる腐食防止をもたらすものである。
図9Bは、図9Aの断面線A〜Aに沿って示された、図9Aのコールドプレート900の断面図である。プレート902Aは、タブ900の上面924に凹設されたポケット913に受け入れられる。プレート902Aの下面に形成されたピン911は、プレート902Aとモノリシックである大きな表面積を生じ、優れた熱伝達をもたらす。本明細書で説明される方法で形成されたピン911は、ポケット913内に下向きに伸長し、ポケット913、入口孔906、および出口孔907と流体連通している。プレート902Aは、ポケット913の外周に沿って伸長するレッジ914に載置される。本明細書で説明するように、プレート902Aの上面がコールドプレートの上面924と同一平面になるようにプレート902Aをレッジ914に載置することを妨げることになるピン911は、プレート902Aの縁部には存在しない。
入口孔906および出口孔907の各々は、タブ901の対向する長縁部付近に、タブ901の下で長手方向に伸長する。入口孔906および出口孔907は、ポケット913の対向端部の下側に配置され、流体が入口孔906からポケット913を通り出口孔907まで矢印910によって示す方向に流れることを可能にする。
タブ901における入口スロット908は、流体(不図示)が入口孔908からポケット913を通って、出口スロット909を介して出口孔907まで流れることを可能にする。したがってポケット913は、入口孔906および出口孔907と流体連通している。入口スロット908および出口スロット909は、図10を参照して詳述される。
ポケット913は、均衡した並列冷却をもたらし、入口孔906に進入する流体は、並列チャネル(図示された実施形態における3つのポケット913)に分割され、出口孔907で再び合流する。並列チャネルにおける流量は、スロットの幅および/またはサイズをサイズ調整することによって、流れを均衡させるように調整され得る。これにより、プレート902A、902B、および902Cの表面温度が確実に均一になる。
図10は、プレート902A、902B、および902Cを除いて示された、図1のコールドプレート900の斜視図である。入口スロット908および出口スロット909は、ポケット913の設置面のみに、ほぼ入口孔906および出口孔907の上をタブに沿って長手方向に伸長する。この点に関して、スロット908および909は、図示された実施形態においてタブ901の長さだけ伸長するのではない。入口スロット908は、入口孔906と平行かつ流体連通し、出口スロット909は、出口孔907と平行かつ流体連通している。
各ポケット913は略長方形であり、図示された実施形態において、丸い角を有する。レッジ914は、ポケット913の外周に沿って、ポケット913から段を付けて下方へ伸長し、上述したようにプレート902(図9A)を受け入れる。この点に関して、プレート902の下面は、プレートの上面がタブ901の表面924と同一平面になるようにレッジに載置される。図示された実施形態において、レッジ914は丸い角を有する。
図11は、図9Aのコールドプレートの分解図であり、ポケット913内に設置する前のプレート902A、902B、および902Cを示す。プラグ930は、コールドプレート901が押出しによって形成される場合、入口孔906および出口孔907と同一の広がりを持つ開口部(不図示)を塞ぐ。プラグ930は、摩擦撹拌接合を用いて設置され、押し込まれ、またはシール材によって螺合され得る。プレート902がポケット913内に設置された後、プレート902A、902B、および902Cは、摩擦撹拌接合、ろう接、または他の取付け手段によってポケット913内に固着される。プレートが固着された後、上面は、接合フラッシュなどを除去し、熱的に最適な完成表面および平坦性をもたらするためにフライカットされる。その後、電子機器を取り付けるための取付け穴(不図示)が表面に形成される。
図12は、タブ1201が押出しではなく機械加工された場合の、タブ1201の代替実施形態の分解図である。この実施形態において、入口孔1206および出口孔1207のための開口部1204および1205はタブ底面1209から機械加工され、プレート1202および1203は、開口部を塞ぎ、その位置で摩擦撹拌接合される。この実施形態は、押出しまたはガンで穿設されたタブが使用可能でない場合に望まれ得る。
図13は、両面コールドプレート1300の分解斜視図であり、ここでは複数のプレート1302A、1302B、および1302Cがタブ1301の上面1324に配置され、複数のプレート1303A、1303B、および1303Cがタブ1301の底面1325に配置される。各プレート1302A、1302B、1302C、1303A、1303B、および1303Cは、本明細書で説明される方法を用いて形成されたピン付きプレートを備える。プレート1302A、1302B、1302C、1303A、1303B、および1303Cのピン付き面は全てタブ1301に向かって内側を向き、(タブ1301の両面にある)ポケット1313、入口孔1306、および出口孔1307と流体連通している。電子機器モジュールは、プレート1302A、1302B、1302C、1303A、1303B、および1303Cの全てに取り付けられてよい。
本発明は、限られた数の実施形態に関して説明されたが、本開示の利益を得る当業者は、ここに開示された本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
Claims (19)
- 液冷式コールドプレートの製造方法であって、
入口孔および出口孔と、タブの上面に形成され、前記入口孔および出口孔と流体連通している複数のポケットとを備えるタブを金属から形成すること、
エンハンスト表面を形成するための工具を用いて平坦な金属プレートにフィンをスライスすることによって複数の冷却プレートを形成することであって、前記工具は、冷却金属層の厚さ未満の深さまで前記冷却金属層をスライスし、前記スライス工程は、前記冷却金属層から材料を除去することなくスライスされた材料を上へ押し上げ、前記冷却金属層の外表面を越えて伸長するフィン高さのフィンを形成し、その後、前記冷却プレートの外表面を越えて伸長するピンを形成するように前記フィンにわたり角度を付けてスライスすること、
前記タブと前記冷却プレートとの間に室が形成され、前記ピン付き表面が前記室内にあり、前記室、前記入口孔、および前記出口孔と流体連通するように、各冷却プレートをポケット内に取り付けること、および
前記ピン付き表面と対向する側面において前記冷却プレートに電子部品を取り付けること
を備える方法。 - 前記タブを金属から形成する工程は、前記タブをアルミニウムから押し出すことを備える、請求項1に記載の方法。
- 前記角度は30〜90度である、請求項1に記載の方法。
- 前記入口孔と前記ポケットとの間に入口スロットを形成することを更に備え、それによって前記入口スロットは、前記入口孔から前記ポケットへ流体を流すことができる、請求項1に記載の方法。
- 前記出口孔と前記ポケットとの間に出口スロットを形成することを更に備え、それによって前記出口スロットは、前記ポケットから前記出口孔へ流体を流すことができる、請求項4に記載の方法。
- 前記入口スロットおよび前記出口スロットは、ポケット内にほぼ並列流量を供給するようなサイズである、請求項5に記載の方法。
- 前記タブを金属から形成する工程は、前記タブをアルミニウムから形成することを備え、前記冷却プレートを前記タブに取り付ける前に、前記タブを無電解ニッケルコーティングでメッキすることを更に備える、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の冷却プレートを形成する工程は、前記冷却プレートをアルミニウムから形成することを備え、前記冷却プレートを前記タブに取り付ける前に、前記冷却プレートを無電解ニッケルコーティングでメッキすることを更に備える、請求項7に記載の方法。
- 前記冷却プレートを前記タブに取り付けた後、前記コールドプレートを無電解ニッケルコーティングで再びメッキすることを更に備える、請求項8に記載の方法。
- 前記冷却プレートが前記タブに取り付けられた後、前記上面を平滑化することを更に備える、請求項1に記載の方法。
- 前記上面を平滑化する工程は、フライカッターを用いて行われる、請求項10に記載の方法。
- 前記電子機器を前記冷却プレートに取り付けるための取付け穴を形成することを更に備える、請求項11に記載の方法。
- 上面に凹設された複数のポケットを備えるタブであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ下方向に設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ入口スロットおよび出口スロットを介して前記ポケットと流体連通している、タブと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の下面が、前記レッジおよび前記下面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよびポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を備える、液冷式コールドプレート。 - 前記冷却プレートの前記電子機器側面の上面は平滑かつ平坦であり、前記タブの前記上面とほぼ同一平面上にある、請求項13に記載の液冷式コールドプレート。
- 前記タブの底面に凹設された複数のポケットであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ下方向に設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ入口スロットおよび出口スロットを介して前記ポケットと流体連通している、複数のポケットと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の下面が、前記レッジおよび前記下面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように、前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよび前記ポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を更に備える、請求項14に記載の液冷式コールドプレート。 - 前記冷却プレートの前記電子機器側面の上面は平滑かつ平坦であり、前記タブの前記底面とほぼ同一平面上にある、請求項15に記載の液冷式コールドプレート。
- 前記冷却プレートおよび前記タブはアルミニウムから形成され、無電解ニッケルでメッキされ、前記コールドプレートは無電解ニッケルで2重メッキされる、請求項16に記載の液冷式コールドプレート。
- 上面に凹設された複数のポケットおよび底面に凹設された複数のポケットを備えるタブであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ離間して設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ上部入口スロットおよび上部出口スロットを介して前記タブの前記上面に凹設された前記複数のポケットと流体連通し、更に、それぞれ底部入口スロットおよび底部出口スロットを介して前記タブの前記底面に凹設された前記複数のポケットと流体連通している、タブと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の最内面が前記レッジおよび前記最内面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように、前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよび前記ポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を備える両面液冷式コールドプレート。 - 前記冷却プレートの前記電子機器側面の外表面は平滑かつ平坦であり、前記タブの外表面とほぼ同一平面上にある、請求項18に記載の液冷式コールドプレート。
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